ES2295668T3 - Juntas mejoradas para tuberias de revestimiento. - Google Patents

Abstract

Una junta roscada para tuberías, que comprende una clavija (10) que tiene en un extremo una parte macho roscada, y un casquillo (20) que tiene en un extremo una parte hembra con una rosca de tornillo complementaria, estando las partes adaptadas para acoplar mutuamente lo largo de la parte mayor de la longitud axial de las partes roscadas, las roscas de tornillo de esta estando inclinadas en la misma dirección y a un ángulo agudo, respecto del eje longitudinal de la longitud de la tubería, la rosca macho extendiéndose hasta un hombro tope macho cónico (15), adyacente a un hombro tope complementario sobre la parte hembra, el hombro tope macho cónico (15) incluyendo una primera superficie cónica (13) sustancialmente paralela al eje de la tubería, el hombro tope complementario comprendiendo un rebaje en forma de receptor de cono que tiene un ápice redondeado (24), y comprendiendo además una primera superficie cónica (22) sustancialmente paralela al eje de la tubería, caracterizada porque la primera superficie cónica (22) de la parte hembra incluye una o más partes convexas (22A) y una parte lisa sobre la mencionada primera superficie cónica (22).

Description

Juntas mejoradas para tuberías de revestimiento.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una junta de tubería, en particular para su uso en los tubos de conexión que se requiere para uso bajo tierra, por ejemplo en las industrias petrolífera y del gas. La junta está diseñada especialmente para casos donde es probable que la tubería esté sometida a fuerzas no uniformes, perpendiculares al eje de la tubería.

Antecedentes de la invención

Cuando se transporta entre dos puntos un fluido, tal como petróleo o gas natural, los métodos más económicos utilizan donde sea posible oleoductos o gaseoductos. Tales conductos están construidos normalmente a partir de tuberías individuales, unidas entre sí. También es usual que el conducto de transporte del fluido esté contenido dentro de otro conducto, a menudo denominado tubería de revestimiento. La tubería de revestimiento sirve para proteger el conducto de transporte, y para permitir que el conducto de transporte sea posicionado con facilidad. La tubería de revestimiento puede actuar también como barrera de seguridad, en el caso de fugas de fluido procedentes del conducto portador, puesto que el fluido fugado es retenido dentro en la tubería de revestimiento y se impide que entre en contacto con el entorno inmediato. Por este motivo, la tubería de revestimiento tiene que poseer la adecuada resistencia a fluidos y a la presión, a los que están sometidos los conductos portadores.

Las áreas en las que se unen las tuberías constituyen discontinuidades en las superficies, tanto interna como externa, del conducto y como tales son fuentes de fallos dentro de un conducto terminado. Es importante minimizar cualquiera de tales fallos en la medida de lo posible, puesto que cualquier pérdida del fluido procedente de la tubería es tanto un derroche económico, como un potencial desastre para el medio ambiente. Además, el fluido perdido puede incrementar el riesgo de incendio o explosión para el personal. La sustitución de juntas ineficientes o con fugas, no siempre es fácil. En concreto, en el caso de la industria petrolífera y gasista a menudo los conductos están situados en localizaciones relativamente inaccesibles, y la sustitución es difícil y cara.

Las juntas entre las tuberías que constituyen el conducto transportador o la tubería de revestimiento, por lo general se realizan utilizando una junta roscada, cada tubería individual teniendo una rosca complementaria a la de la tubería adyacente. Tales juntas tienen que ser capaces de resistir enormes diferenciales de presión entre el interior y el exterior de la tubería. Además, tienen que ser capaces de permanecer estancas a fluidos cuando el conducto formado por la tubería recta individual, está modelado de forma curva, o se desvía ligeramente de una configuración lineal, debido a formaciones rocosas o similares.

Las tuberías convencionales tienden a funcionar mal cuando se aplica tales fuerzas de curvatura, con el resultado de que se debilita el rendimiento del conducto, y existe un riesgo de fuga donde se produce tal curvatura.

Es un objetivo de la presente invención proporcionar una junta de tubería, que trate los problemas mencionados y funcione correctamente cuando las tuberías que están unidas no son coaxiales. En la descripción, los términos tubería de revestimiento y tubería pueden utilizarse de forma intercambiable, tubería de revestimiento denotando a menudo simplemente un tubo con mayor diámetro que el aludido como tubería.

El documento US - A - 3 870 351 da a conocer una junta genérica.

Resumen de la invención

De acuerdo con la invención, se proporciona una junta roscada para tuberías, que comprende una clavija que tiene en un extremo una parte marcho roscada, y un casquillo que tiene en un extremo una parte hembra con una rosca de tornillo complementaria, estando las partes adaptadas para acoplar mutuamente a lo largo de la mayor parte de la longitud axial de las partes roscadas, las roscas de tornillo de estas estando inclinadas en la misma dirección y a un ángulo agudo, respecto del eje longitudinal de la longitud de la tubería, la rosca macho extendiéndose a un hombro tope macho cónico, adyacente a un hombro tope complementario sobre la parte hembra, el hombro tope macho cónico, incluyendo una primera superficie cónica sustancialmente paralela al eje de la tubería, el hombro tope complementario comprendiendo un rebaje en forma de receptor de cono que tiene un ápice redondeado, y también comprendiendo una primera superficie cónica sustancialmente paralela al eje de tubería, donde la primera superficie cónica de la parte hembra incluye una o más partes convexas y una parte plana sobre la mencionada primera superficie cónica. Las partes curvas provocan la formación de un sellado más fuerte, que resiste la separación de la parte marcho respecto de la parte hembra, y proporciona un rendimiento incrementado de la junta frente a la curvatura.

La superficie de la parte curva, o de cada una de estas, queda preferentemente sobre la circunferencia de un círculo. Ventajosamente, el radio del círculo está entre el 2 - 10,5 cm, y de forma especialmente ventajosa entre 23 - 3,05 cm (0,9''-1,2'').

Preferentemente, el extremo distal de la superficie interna de la clavija está biselado, estando el borde biselado a un ángulo de 18º-25º respecto del eje de la clavija. El borde biselado permite que el cuerpo principal de la tubería sea más grueso y por lo tanto más fuerte, y que siga siendo una superficie suave en torno a la región de la junta, para reducir la turbulencia inducida en el flujo de material fluido.

La parte lisa de la superficie cónica subtiende ventajosamente un ángulo en el rango 1º - 15º con el eje de la tubería, y de forma particularmente ventajosa un ángulo de 1,5º - 4º. El ángulo más llano sirve para que la tubería sea más gruesa y por lo tanto más resistente, incrementando la resistencia de las juntas frente a la apertura.

Preferentemente, la segunda superficie cónica del hombro tope subtiende un ángulo de 11º - 20º con el plano perpendicular al eje de la tubería, y en un caso particularmente preferido un ángulo de 11º - 13º.

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Breve descripción de los dibujos

Se describirá la invención con referencia a los dibujos anexos que, solo a modo de ejemplo, muestran una realización de una junta para tubería de revestimiento. En los dibujos:

la figura 1 es una vista en sección, a través del hombro tope de la clavija;

la figura 2 es una vista en sección a través del hombro tope de un casquillo correspondiente;

las figuras 3a-3c ilustran la distribución de tensión dentro de un hombro tope;

las figuras 4a-4c ilustran la distribución la deformación plástica que resulta de la tensión mostrada en las figuras 3a-3c;

las figuras 5a-5c son simulaciones de la estabilidad de una junta de tubería, que está sometida a fuerzas de curvatura y presiones diferenciales.

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Descripción detallada de la invención

La figura 1 muestra un hombro tope 15 de una clavija 10, o sección macho, de una conexión para una junta de tubería o de tubería de revestimiento. En la clavija 10 se muestra la cresta final 11 de la rosca de tornillo. La clavija 10 tiene una superficie interna 12 que, cuando la clavija 10 es conectada a un casquillo correspondiente 20 o sección hembra (figura 2), forma parte del interior del conducto. La sección hembra y la sección macho tienen partes roscadas (no ilustradas) a lo largo de la mayor parte de su longitud axial. Estas partes roscadas están inclinadas en la misma dirección, y están a un ángulo agudo respecto al eje longitudinal de la longitud de la tubería. En uso, tras la aplicación del par de fuerzas las dos partes roscadas acoplan mutuamente para formar una junta, y mantienen juntas las secciones macho y hembra.

Una superficie externa 13 tiene una sección transversal sustancialmente recta, que se estrecha ligeramente alejándose a un ángulo de aproximadamente 2º, desde la cresta 11 hacia el ápice 14 del hombro tope 15. La superficie externa 13 acopla con una correspondiente superficie 22 de un casquillo, para formar una superficie de sellado cuando las dos tuberías están enroscadas entre sí.

Debido a las características descritas abajo, el estrechamiento de la superficie 13 es de solo 2º desde el eje de la tubería. Esto permite que el extremo distal de la clavija 10 sea más fuerte de como lo sería en las tuberías convencionales. Por tanto la presión procedente del exterior de la tubería, que penetra entre las roscas de las partes macho y hembra de la junta de tubería, y que tiende a empujar estas dos partes separándolas, se resiste gracias al efecto de refuerzo sobre la clavija 10. Los ángulos que puede utilizarse dentro de la presente invención son de 1º - 15º, y particularmente de 1,5º - 4º.

El hombro tope 15 tiene otra superficie de sellado 16 que acopla con una superficie correspondiente sobre el casquillo 20, y que forma otro sellado para impedir el escape de fluidos a través de la junta. La superficie de sellado 16 está conectada a la superficie externa 13 mediante el ápice curvo 14. La superficie de sellado 16 está a un ángulo de 12'' respecto de un plano perpendicular al eje principal de la clavija 10. El hombro tope 15 tiene, por lo tanto, una parte cónica definida por las superficies 13, 14 y 16, con la base de la parte cónica sustancialmente a lo largo de la línea punteada E de la figura 1. Debido a las características mejoradas de sellado de la junta, el ángulo que subtiende esta superficie con el plano, es más llano que en las juntas convencionales. Así, el ángulo subtendido puede estar entre 11º y 20º.

La clavija 10 de la figura 1 acopla con una sección de casquillo complementaria, sobre la sección de tubería a la que se une esta junta. El casquillo 20 tiene una superficie interna 21 que, junto con las superficies 12, 17, forma la superficie interna de un conducto cuando las tuberías son unidas entre sí. El casquillo 20 tiene una serie de superficies adicionales 22, 23 que, juntas, forman un hombro tope que tiene un rebaje (incluido dentro de la sección, delimitado por la línea punteada G en la figura 2) de forma complementaria a la del hombro tope 15 de la clavija 10, y que acopla con la clavija 10 para formar una serie de superficies de sellado. El rebaje formado tiene una sección transversal sustancialmente cónica, con una ápice redondeado 24. La superficie de sellado longitudinal acopla con la correspondiente superficie de sellado longitudinal. La superficie 22 (sobre el casquillo) incluye una parte convexa 22A. La parte convexa 22A proporciona una redistribución de fuerzas dentro de las secciones de tubería, cuando la clavija 10 y el casquillo 20 son enroscados entre sí.

Cuando se aplica un par de fuerzas a las dos tuberías, para enroscarlas entre sí, la superficie convexa provoca deformación inducida dentro del hombro tope, que se distribuye de modo que la deformación se concentra principalmente en el área en torno a la parte convexa 22A. Por lo tanto, la deformación se distribuye a las áreas de mayor resistencia dentro de la clavija 10 y el casquillo 20, y por tanto la tensión producida en su interior provoca un daño menor.

La superficie en sección transversal de la parte convexa 22A, queda sobre un círculo que tiene un radio de aproximadamente 2,5 cm, aunque se ha encontrado como aceptables radios en el rango de 2 - 10,5 cm.

Adicionalmente, la clavija 10 incluye una superficie biselada 17 que conecta las superficies 12 y 16. En uso, la superficie biselada 17 sería forzada en dirección al centro de la tubería que se está montando. La deformación sería suficiente para tener como resultado que sea lisa la superficie resultante formada por las superficies 12, 17 y 21, sobre el interior de la tubería resultante.

Las figuras 3a a 3c muestran la deformación inducida, calculada, en la región del hombro tope de una junta. En estas figuras, un sombreado más oscuro indica que la región en cuestión está sometida a mayor deformación. El centro de la parte convexa tiene coordenadas (-0,165 cm, 22,05 cm), y la superficie en la figura 3b (-0,292 cm, 22,05 cm). En estas coordenadas, eje x se refiere al eje x mostrado en la figura 2 con referencia al punto imaginario A. La coordenada y, se calcula desde el centro de la tubería.

La sección de casquillo de las juntas mostradas en las figuras 3a y 3b incluye una superficie convexa de radio 2,5 cm. Puede verse dos diferencias principales en la distribución de tensión entre las dos juntas acordes con la invención, y la del arte previo de la figura 3c. En primer lugar, la tensión principal en las juntas que tienen la parte convexa está localizada en las dos áreas, estando la primera en torno a los bordes de sellado 31. La segunda región está constituida por dos lóbulos 30, uno en cada sección de tubería, a una distancia sustancial respecto de la superficie de sellado.

Puede verse que los lóbulos 30 se proyectan en la dirección radial, hacia el cuerpo de de los elementos de clavija y de casquillo. Esto tiene como resultado un sellado más fuerte que con las juntas convencionales, en relación a la resistencia frente a fuerzas de curvatura. El efecto de esto se muestra en la junta, como resultado del par de fuerzas aplicado. De nuevo, en relación con las figuras 3a-3c las áreas más oscuras denotan regiones de mayor flujo. En la junta del arte previo de la figura 4c, puede verse que la deformación plástica está principalmente en la región 45 de las superficies de sellado 16 y 23, con una pequeña cantidad 46 sobre las superficies lisas 13, relativamente cerca del ápice curvo 14.

La deformación plástica conduce a un debilitamiento significativo del sellado producido por estas superficies 16, 23.

Además, el sellado a lo largo de este eje actúa para impedir que la presión externa, que desciende desde la rosca, fuerce a los dos hombros tope a separarse y rompa así el sellado.

Por contraste, la deformación plástica inducida en las correspondientes en regiones 42, 44 de las juntas, mostrada respectivamente en las figuras 4a y 4b, es menor en estas regiones, con una correspondiente reducción en los daños en el sellado formado por estas superficies de sellado. Además, aunque se muestra una pequeña cantidad de deformación plástica en las regiones que, a partir de las figuras 3a y 3b, se ve que están bajo una mayor cantidad de deformación, el flujo es relativamente pequeño indicando que se mantiene un sellado fuerte.

Sin limitarse a una teoría específica, otra razón por la que la parte convexa mejora la solidez de una junta y su resistencia a debilitarse por curvatura, es la siguiente. Se espera que la superficie provoque deformación resultante del acoplamiento de las dos juntas de tubería, que esté concentrada en una región de la junta alejada respecto de la superficie de sellado 16, 23. La concentración esencialmente de energía almacenada, proporciona un sellado muy fuerte y esta energía está concentrada en una sección relativamente fuerte de la tubería, que es resistente la deformación plástica.

Si bien se ilustra la superficie convexa 22 teniendo una superficie que queda sobre la circunferencia de un círculo, puede también tener forma de varias otras superficies curvas, tales como una elipse que describa una curva que tiene la fórmula generalizada x^{2}/a^{2} + y^{2}/b^{2} = 1. Puede también formarse la superficie sin tener ninguna sección plana 24, en cuyo caso la superficie entre el ápice 14 y el pie en la cresta 11 es estrictamente convexa.

Alternativamente, la superficie 13 entre el ápice 14 y el pie de la cresta 11 puede incluir más de una superficie convexa que puede, o no, tener una sección sustancialmente plana entre ambos.

El rendimiento mejorado de los sellados que incorporan una superficie sellada curva, se muestra en las figuras 5a a 5c, los sellados mostrados en estas figuras correspondiendo a los de las figuras 3a a 3c. Estas figuras muestran la respuesta simulada de juntas de tubería concretas, frente a presión diferencial entre el interior y el exterior de la tubería, en la tubería que se está curvando. Las área sombreadas corresponden a combinaciones de diferenciales de curvatura y de presión, en los que la junta es estable. Las áreas más internas y oscuras corresponden a juntas de tubería en las que los ejes de las tuberías individuales unidas entre sí, ya no son coaxiales. Como puede verse a partir de las figuras 5a y 5b, las regiones estables se extienden sobre un gran rango de lóbulos y presiones diferenciales. Compárese estos resultados con la respuesta de la junta de tubería del arte previo mostrada en la figura 5c, que es estable es solo en un rango limitado, en el primer cuadrante de gráfico.

La superficie biselada puede incluir una parte cóncava, a lo largo al menos de una sección de su longitud, para proporcionar una unión más suave y reducir el flujo turbulento dentro del flujo de fluido, a través de la tubería.

Por supuesto, se comprenderá que la invención no está limitada a los detalles específicos aquí descritos, que se proporcionan solo a modo de ejemplo, y que son posibles diversas modificaciones y alteraciones dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

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Referencias citadas en la descripción

La lista de referencias citadas por el solicitante es solo para comodidad del lector. No forma parte del documento de Patente Europea. Incluso aunque se ha tomado especial cuidado en recopilar las referencias, no puede descartarse errores u omisiones y la EPO rechaza toda responsabilidad a este respecto.

Documentos de patente citados en la descripción

\bullet US 3870351 A [0007]

Claims (9)

1. Una junta roscada para tuberías, que comprende una clavija (10) que tiene en un extremo una parte macho roscada, y un casquillo (20) que tiene en un extremo una parte hembra con una rosca de tornillo complementaria, estando las partes adaptadas para acoplar mutuamente lo largo de la parte mayor de la longitud axial de las partes roscadas, las roscas de tornillo de esta estando inclinadas en la misma dirección y a un ángulo agudo, respecto del eje longitudinal de la longitud de la tubería, la rosca macho extendiéndose hasta un hombro tope macho cónico (15), adyacente a un hombro tope complementario sobre la parte hembra, el hombro tope macho cónico (15) incluyendo una primera superficie cónica (13) sustancialmente paralela al eje de la tubería, el hombro tope complementario comprendiendo un rebaje en forma de receptor de cono que tiene un ápice redondeado (24), y comprendiendo además una primera superficie cónica (22) sustancialmente paralela al eje de la tubería, caracterizada porque la primera superficie cónica (22) de la parte hembra incluye una o más partes convexas (22A) y una parte lisa sobre la mencionada primera superficie cónica (22).

2. Una junta acorde con la reivindicación 1, en la que la superficie de la, o de cada, parte curva queda sobre la circunferencia de un círculo.

3. Una junta acorde con la reivindicación 2, en la que el radio del círculo está en el rango de 2 - 10,5 cm.

4. Una junta acorde con la reivindicación 3, en la que el radio del círculo está en el rango de 2,2 - 4 cm.

5. Una junta acorde con cualquier reivindicación precedente, en la que el extremo distal (17) de la superficie interna de la clavija está biselado, el borde de biselado estado a un ángulo de 18º - 25º respecto del eje longitudinal de la clavija.

6. Una junta acorde con cualquier reivindicación precedente, en la que la mencionada parte lisa de la primera superficie cónica subtiende un ángulo en el rango de 1º - 15º respecto del eje longitudinal de la tubería.

7. Una junta acorde con la reivindicación 6, en la que la parte lisa subtiende un ángulo en el rango de 1,5º - 4º.

8. Una junta acorde con cualquier reivindicación precedente, en la que una segunda superficie cónica (16) del hombro tope, subtiende un ángulo en el rango de 11º - 20º respecto del plano perpendicular al eje longitudinal de la tubería.

9. Una junta acorde con la reivindicación 8, en la que la segunda superficie cónica subtiende un ángulo en el rango de 11º – 13º.